Фундаментальным отличием между термоядерным синтезом и ядерным делением является направление изменения массы и энергии при превращениях атомных ядер. В процессе деления тяжёлые ядра распадаются на более лёгкие, в то время как при синтезе наоборот — лёгкие ядра объединяются в более тяжёлые. Оба процесса сопровождаются выделением энергии, однако механизмы её возникновения и характер реакций различны.
В основе выделения энергии лежит зависимость энергии связи на нуклон от массового числа. Для лёгких элементов (водород, гелий, литий) энергия связи на нуклон увеличивается с ростом массы ядра, поэтому их слияние выгодно энергетически. Для тяжёлых элементов (уран, торий, плутоний) энергия связи на нуклон уменьшается с ростом массы ядра, что делает деление энергетически более выгодным.
Таким образом:
Энергия, высвобождающаяся при реакции синтеза лёгких элементов (например, дейтерий + тритий → гелий-4 + нейтрон), обычно выше, чем энергия при делении одного ядра урана-235. В пересчёте на единицу массы топлива термоядерные реакции выделяют на порядок больше энергии, чем деление.
Пример:
Ядерное деление инициируется сравнительно легко: для этого необходимо захват тяжёлым ядром нейтрона, что приводит к его неустойчивости и распаду. Процесс деления можно запустить при обычных температурах и давлениях, что сделало его доступным для практического использования ещё в середине XX века.
Термоядерный синтез, напротив, требует преодоления кулоновского отталкивания между положительно заряженными ядрами. Для этого нужны экстремально высокие температуры (десятки и сотни миллионов кельвинов) или колоссальные давления, подобные тем, что существуют в недрах звёзд. Именно это обстоятельство делает практическое использование управляемого синтеза столь сложной задачей.
Продукты ядерного деления включают осколки с массовыми числами порядка 90–140, которые, как правило, являются радиоактивными изотопами, обладающими долгими периодами полураспада. Это создаёт проблему радиоактивных отходов, требующих длительного хранения и изоляции.
В случае термоядерного синтеза основным продуктом является стабильный гелий, а также нейтроны высокой энергии. Последние могут индуцировать радиоактивность в материалах реактора, однако долговременные отходы при этом в значительной мере отсутствуют.
Цепная реакция деления легко поддерживается: каждый акт деления сопровождается выделением нейтронов, которые могут вызвать новые акты деления. Это свойство лежит в основе работы атомных реакторов и ядерного оружия.
Синтез не является цепным процессом в прямом смысле: продукты реакции не инициируют новые акты слияния. Поддержание термоядерного горения требует постоянного создания экстремальных условий, что в лабораторных условиях осуществляется либо с помощью магнитного удержания (токамаки, стеллараторы), либо с помощью инерциального сжатия (лазерные установки, пучки частиц).
Ядерное деление в настоящее время является основой ядерной энергетики. Технология хорошо отработана, и реакторы обеспечивают значительную долю мировой электроэнергии. Основные ресурсы — уран и плутоний — ограничены, а их добыча и переработка сопряжены с экологическими и технологическими трудностями.
Термоядерный синтез пока остаётся экспериментальным направлением, однако его потенциальные преимущества огромны. Дейтерий содержится в воде в больших количествах, тритий может быть получен из лития, что делает запасы топлива практически неисчерпаемыми.
Деление связано с проблемой накопления радиоактивных отходов и риском аварий с катастрофическими последствиями (Чернобыль, Фукусима). Кроме того, технология напрямую связана с производством ядерного оружия.
Синтез в случае успешного освоения даст более «чистый» источник энергии, без значительного накопления радиоактивных отходов и с минимальными рисками неконтролируемого выхода процесса из-под управления. Однако именно сложность технической реализации остаётся главным препятствием на пути его практического внедрения.